BAB III PERANCANGAN SISTEM
Pada bab ini akan dibahas mengenai perancangan dan realisasi sistem yang dibuat. Blok diagram alat yang dibuat secara keseluruhan ditunjukkan oleh Gambar 3.1.
Setrika
Kolektor Panas Alas Setrika
TEG dengan Pendingin
Buck- Boost Converter
Baterai Kering
Gambar 3.1. Diagram kotak keseluruhan alat yang dibuat. Secara garis besar, panas setrika yang mengenai bagian Kolektor Panas akan dikonversi menjadi energi listrik oleh TEG, kemudian energi listrik yang dihasilkan akan diproses dalam rangkaian Buck-Boost Converter dan disimpan ke dalam Baterai Kering yang dapat diisi ulang yaitu lithium polymer.
16
3.1. Cara Kerja Alat Alat ini nantinya akan digunakan sebagai alas setrika dan yang bersifat portable sehingga mudah dipindahkan. Sumber panas yang digunakan berasal dari panas setrika listrik yang terbuang. Ketika setrika listrik yang telah panas sedang tidak digunakan menyetrika, posisi setrika yang biasanya diletakkan secara berdiri ataupun diletakkan di atas alas setrika konvensional, akan diletakkan pada bagian Kolektor Panas Alas Setrika. Panas ini kemudian diubah oleh TEG sehingga menghasilkan tegangan DC. Rangkaian Buck-Boost Converter merupakan rangkaian yang akan mengubah keluaran TEG agar stabil dan dapat disimpan dalam Baterai Kering. 3.2. Perancangan dan Realisasi Perangkat Keras Perancangan alat yang dibuat secara keseluruhan adalah seperti yang ditunjukkan Gambar 3.2 dan 3.3 sebagai berikut.
1 2 3 4
5
Gambar 3.2. Gambaran alat yang akan dibuat tampak depan.
17
1 2 3 4
5
Gambar 3.3. Gambaran alat yang akan dibuat tampak samping. Penjelasan dari Gambar 3.2 dan 3.3 di atas adalah sebagai berikut : 1. Setrika 2. Kolektor Panas Alas Setrika 3. TEG dengan Oli sebagai Pendingin 4. DC-DC Converter tipe Buck- Boost Converter 5. Baterai Kering Alat ini dibagi dalam beberapa bagian, yaitu modul Kolektor Panas Alas Setrika, TEG dengan Pendingin, modul Buck-Boost Converter, dan yang terakhir adalah Baterai Kering. 3.2.1. Kolektor Panas Alas Setrika Bagian ini merupakan bagian yang akan bersentuhan dengan bagian bawah setrika saat setrika tersebut masih sedang jeda tidak digunakan. Kolektor panas yang merupakan penyalur panas dari setrika menuju TEG dibuat dari alumunium berukuran 25×15cm dengan tebal 3mm seperti ditunjukkan Gambar 3.4 di bawah. Pemilihan alumunium sebagai alas setrika dikarenakan alumunium merupakan logam yang konduktivitas panasnya cukup baik serta bersifat ringan dan kuat. Selain itu alumunium juga mudah diperoleh di pasaran.
18
Gambar 3.4. Lempeng alumunium yang digunakan. Bagian pendingin diberi heat sink seperti ditunjukkan Gambar 3.5 sebagai penyerap panas dari TEG yang dicelupkan dalam cairan oli dikarenakan sifatnya yang mampu mempertahankan suhu dingin, yaitu dengan titik didih ˃300°C[8]. Bagian wadah cairan digunakan kaca berukuran 21 × 11 × 8cm dengan alasan kaca tahan terhadap suhu tinggi seperti ditunjukkan pada Gambar 3.6. Sebelumnya telah dilakukan uji coba membuat tempat penampung air dari akrilik akan tetapi tidak tahan terhadap suhu panas dari setrika dan mudah meleleh. Besarnya volume zat air yang digunakan yaitu apabila besar penampung air diperkirakan : 𝑣 =𝑝×𝑙×𝑡 𝑣 = 21 𝑐𝑚 × 11 𝑐𝑚 × 8 𝑐𝑚 𝑣 = 1,84 𝑙
(3.1) (3.2) (3.3)
Pelat bagian atas diberi sekrup dengan heat sink, berfungsi untuk menahan elemen TEG agar tidak berubah posisi. Di antara pelat atas dan pelat bawah akan diberikan semacam sekat peredam panas atau bubble laminated foil untuk mengisolasi agar panas tidak tercampur dari kedua sisi. Pemberian sekat ini berperan penting untuk menjaga perbedaan suhu antara dua sisi TEG. Meskipun panas dari setrika diserap oleh logam alumunium dari sisi panas TEG pada saat jeda menyetrika, elemen pemanas setrika masih tetap mengalirkan panas pada alas setrika sehingga panas yang berkurang tidak akan berpengaruh besar terhadap fungsi dari setrika itu sendiri. Hal ini sesuai dengan percobaan yang telah dilakukan (Gambar 1.2 dan 1.3). 19
Gambar 3.5. Heat sink yang digunakan.
Gambar 3.6. Wadah kaca sebagai tempat cairan pendingin. 3.2.2. Thermoelectric Generator (TEG) Modul TEG akan menghasilkan listrik ketika terdapat gradien temperatur atau
𝛥T antara sisi panas dan sisi dingin dengan cara sisi panas diberi sumber panas kemudian sisi dingin diberi heat sink. Modul TEG yang terbuat dari Bi-Te ini akan bekerja hingga suhu 330˚C.
20
Gambar 3.7. TEG tipe TE-MOD-5W5V-30S[11] yang digunakan.
Berikut spesifikasi TEG tipe TE-MOD-5W5V-30S[11] yang digunakan:
Tabel 3.1. Spesifikasi TEG TE-MOD-5W5V-30S yang digunakan[11]. Temperatur sisi panas (˚C)
300
Temperatur sisi dingin (˚C)
30
Tegangan buka (V)
10,8
Hambatan dalam (ohms)
5.4
Tegangan keluaran dengan beban (V)
5.4
Arus keluaran dengan beban (A)
1.0
Daya keluaran dengan beban (W)
5.4
Aliran panas yang melewati modul (W)
≈ 96 ≈ 10.7
Kerapatan aliran panas (W cm-2) Beban AC (ohms) di ukur dibawah 27˚C pada 1000 Hz
21
2.8 ~ 4.0
Gambar 3.8. Grafik POUT TE-MOD-5W5V-30S terhadap variasi suhu[11]. Dari grafik pada Gambar 3.8 dapat diketahui bahwa dengan 𝛥T sebesar 270°C, thermoelectric generator ini mampu menghasilkan daya listrik sebesar 5,4W. Besarnya daya panas yang dirubah menjadi daya listrik yaitu: 𝑄=𝐴 × 𝑞
(3.4)
𝑄 = 3 × 3 × 10,7
(3.5)
𝑄 = 96,3𝑊
(3.6)
Dimana q adalah kerapatan aliran panas. Dari persamaan di atas kita bisa hitung efisiensi modul TEG yang digunakan mempunyai efisiensi sebesar: 𝜂= 𝜂=
𝑃 𝑄 5,4 96,3
𝜂 = 5,6%
(3.7) (3.8) (3.9)
TEG yang digunakan memiliki ukuran 30×30mm dengan ketebalan 5mm. Empat buah TEG tipe TE-MOD-5W5V-30S disusun seri dan diletakkan di antara bagian kolektor panas dan bagian pendingin. Tujuan pemasangan TEG secara seri ini adalah agar mendapat tegangan keluaran yang lebih besar, V=V1+V2+V3+V4 seperti ditunjukkan Gambar 3.9 sebagai berikut: 22
TEG
TEG
TEG
V1
V2
V3
TEG
V4
Gambar 3.9. Susunan TEG secara seri. Kedua sisi TEG diolesi dengan pasta termal yang bertujuan agar panas merambat lebih cepat pada sisi panas maupun sisi dingin. Hal ini perlu dilakukan karena dalam antarmukanya terdapat rongga mikroskopis yang dapat menjebak udara masuk di antaranya sehingga mengakibatkan kerugian perambatan panas secara konveksi melalui medium udara. Penggunaan pasta termal akan mengisi rongga mikroskopis tersebut sehingga meningkatkan konduktivitas termal[1]. 3.2.3. Buck- Boost Converter Modul pengisi baterai menggunakan DC-DC Converter berupa Buck-Boost Converter yaitu rangkaian yang bisa menaikkan dan menurunkan tegangan DC dengan mengatur besarnya duty cycle pada switch nya. Dengan menggunakan rangkaian ini, VINPUT dari TEG akan menghasilkan VOUT yang stabil untuk mengisi baterai lithiumpolymer yang ada. VOUT yang dihasilkan thermoelectric generator (TEG) bervariasi antara kurang dari VREF hingga melebihi VREF. Modul ini bertugas mengubah keluaran dari modul TEG menjadi sebesar 4,7V sehingga dapat disimpan dalam baterai lithium polymer 3,7V 380mAh.
23
L1 100uH
Vin + 3V
220uF
Cin 0,1uF
1N5821 2,2uH
1N4004
Rc 2,2k
Vout+ 4,7V
47uH 220uF
R1 10k
Cout
IN OUT COM
R2 2k
LM 2577-Adj Cc 238nF
Gambar 3.10. Untai buck-boost converter dengan LM2577-Adj. Besar arus maksimum ILOAD(MAX) keluaran IC dapat dihitung dengan Persamaan 2.6 berikut: ILOAD(max) ≤
2,1 𝐴 × 𝑉𝐼𝑁(𝑚𝑖𝑛) 𝑉𝑂𝑈𝑇
ILOAD (max) ≤
2,1 𝐴 × 3 𝑉 4,7𝑉
ILOAD (max) ≤ 1,340A
(3.10) (3.11)
Nilai maksimum duty cycle dapat dihitung dengan Persamaan 2.7 berikut: D(max) =
𝑉𝑂𝑈𝑇 + 𝑉𝐹 − 𝑉𝐼𝑁(𝑚𝑖𝑛) 𝑉𝑂𝑈𝑇 + 𝑉𝐹 − 0,6 V
D(max) =
4,7+ 0,5 − 3 4,7 + 0,5 − 0,6
D(max) = 0,478
(3.12) (3.13)
Karena diperoleh nilai D ≤ 0,85 yaitu 0,478, persamaan yang digunakan untuk menghitung LMIN adalah Persamaan 2.9 dan 2.10. E∙T=
𝐷(max) (𝑉𝐼𝑁(min) −0,6𝑉)106 52.000 𝐻𝑧
E∙T=
0,478 × (3 − 0,6𝑉)× 106 52.000 𝐻𝑧
E ∙ T = 22,06 V.µs
24
(3.14) (3.15)
Kemudian mencari nilai 𝐼𝐼𝑁𝐷,𝐷𝐶 melalui Persamaan 2.10: 1,05 × 𝐼𝐿𝑂𝐴𝐷(max)
𝐼𝐼𝑁𝐷,𝐷𝐶 =
1−𝐷(max)
𝐼𝐼𝑁𝐷,𝐷𝐶 =
1,05 × 1,34 𝐴 1−0,478
𝐼𝐼𝑁𝐷,𝐷𝐶 = 2,69𝐴
(3.16) (3.17)
Dengan melihat grafik pada Gambar 2.7 didapatkan nilai induktor sebesar 47µH. Persamaan yang digunakan untuk menghitung nilai RC dan CC yang terhubung dengan pin 1 sebagai berikut: 750 × ILOAD(max) × 𝑉𝑂𝑈𝑇 2
RC ≤
𝑉𝐼𝑁(𝑚𝑖𝑛) 2
RC ≤
750 × 1,34 × 4,72 32
RC ≤ 2466 Ω
(3.18) (3.19)
Resistor yang digunakan yaitu 2200 Ω. CC ≥
58,5 × 𝑉𝑂𝑈𝑇 2 × 𝐶𝑂𝑈𝑇
CC ≥
𝑅𝐶 2 × 𝑉𝐼𝑁(𝑚𝑖𝑛)
58,5 × 4,72 ×2681 22002 × 3
CC ≥ 238,6 nF
(3.20) (3.21)
Nilai COUT berdasarkan Persamaan 2.13 dan 2.14 berikut COUT ≥ COUT ≥
0,19 × 𝐿 ×𝑅𝐶 × ILOAD(max) 𝑉𝐼𝑁(𝑚𝑖𝑛) × 𝑉𝑂𝑈𝑇 0,19 × 47 µ𝐻 × 2200 × 1,34 3 × 4,7 𝑉
COUT ≥ 1867µF
25
(3.22) (3.23)
Dan COUT ≥
𝑉𝐼𝑁(𝑚𝑖𝑛) × 𝑅𝐶 × (𝑉𝐼𝑁(𝑚𝑖𝑛) + (3,74 × 105 × 𝐿)) 487.800 × 𝑉𝑂𝑈𝑇 3
COUT ≥
3 × 2200 × (3 +(3,74 × 105 × 47 µ𝐻)) 487.800 × 4,73
COUT ≥ 2681µF
(3.24) (3.25)
Dalam datasheet nilai kapasitas minimum yang diambil adalah yang lebih besar yaitu 2681 µF. Tegangan keluaran (VOUT) dari IC ini dapat dihitung dengan Persamaan 2.15 berikut: VOUT = 1,23𝑉(1 + 𝑅1 /𝑅2 ) VOUT = 1,23𝑉(1 + 5642/2000) VOUT = 4,7V
(3.26) (3.27)
Gambar 3.11. Buck-boost converter yang digunakan. Rangkaian Buck-Boost Converter ini menggunakan IC LM2577-Adj dan akan bekerja jika terdapat VIN antara 3-35 V, sedangkan VOUT modul ini diatur sebesar 4,7V.
26
3.2.4. Baterai Kering Energi listrik yang telah melalui modul konverter telah siap untuk disimpan ke dalam Baterai Kering. Baterai yang dipilih merupakan baterai kering lithium polimer 3,7V 380mAh seperti ditunjukkan oleh Gambar 3.12.
Gambar 3.12. Baterai lithium- polymer 3,7V 380mAh.
Baterai diperkirakan mampu menyimpan energi total sebanyak: 𝐸 =𝑉×𝐼×𝑡
(3.28)
𝐸 = 3,7V × 0,38A × 1jam
(3.29)
𝐸 = 1,41 𝑊ℎ
(3.30)
Saat dilakukan pengisian baterai, terdapat LED indikator sebagai penanda mengalirnya arus dari rangkaian buck-boost converter menuju baterai. Gambar 3.13 berikut merupakan rangkaian LED indikator yang digunakan.
TEG
D1 DIODE
Buck-Boost Converter
Baterai
R1
D2 LED1
Gambar 3.13. Skema rangkaian LED indikator.
27
Untuk dapat menyala dengan baik, LED membutuhkan arus sekitar 10mA. Perhitungan nilai R1 adalah dengan persamaan berikut: 𝑅1=
4,7 V−2 𝑉 10 𝑚𝐴
𝑅1= 270𝛺
28
(3.31) (3.32)
